موشک‌های قابل استفاده مجدد نیمه آسان را حل کردند. مرحله بالایی، نیمه دشوار است.
هر موشک بزرگ جدیدی که در پنج سال گذشته معرفی شده، مرحله اول خود را بازاستفاده می‌کند. هیچ‌کدام از آن‌ها به جز استارشیپ اسپیس‌ایکس و نوای بسیار کوچک‌تر شرکت استوک اسپیس، تلاشی برای بازاستفاده از مرحله دوم نمی‌کنند. این عدم تقارن یک سهل‌انگاری نیست؛ دلیل آن این است که مرحله بالایی از نظر مهندسی مسئله‌ای اساساً دشوارتر است و به‌آرامی به سقف واقعی ارزانی پرتاب مداری تبدیل می‌شود.
بوستر همیشه هدف آسان‌تری بود
بوستر مرحله اول در وسیله‌ای مانند فالکون ۹ حدود دو دقیقه و نیم می‌سوزد، به سرعتی حدود ۲۰۰۰ تا ۲۵۰۰ متر بر ثانیه می‌رسد و در ارتفاعی جدا می‌شود که گرمای اتمسفری هنگام فرود با یک سپر ساده تبخیری یا حتی بدون هیچ سپر گرمایی قابل کنترل است. بوستر یک مسیر بالستیک بازگشتی را طی می‌کند، موتورهای خود را برای یک احتراق ورودی و یک احتراق فرود دوباره روشن می‌کند و روی یک کشتی بی‌سرنشین یا سکوی فرود می‌نشیند. اسپیس‌ایکس این کار را بیش از ۴۰۰ بار انجام داده است. نیوترون شرکت راکت لب و نیو گلن شرکت بلو اوریجین نیز همین معماری را تکرار می‌کنند: یک مرحله اول قابل استفاده مجدد که برای ورودهای مکرر با سرعت و گرمای پایین طراحی شده است.
مرحله دوم با مسئله‌ای فیزیکی کاملاً متفاوت روبه‌روست. وظیفه آن تکمیل رساندن سرعت به حد سرعت مداری است؛ یعنی حدود ۷.۸ کیلومتر بر ثانیه برای مدار پایین زمین، یعنی بیش از سه برابر سرعتی که بوستر هرگز به آن نمی‌رسد. بازگرداندن چیزی از سرعت مداری به معنای پراکنده کردن انرژی جنبشی‌ای بسیار بیشتر است، در محیط گرمایی‌ای که به ورود یک کپسول سرنشین‌دار شبیه‌تر است تا به یک پرش ساده بوستر. به همین دلیل است که هر موشک مداری عملیاتی امروزی، از جمله فالکون ۹، همچنان مرحله دوم خود را در هر پرواز دور می‌ریزد.
چرا این کف واقعی هزینه است
وقتی یک بوستر قابل استفاده مجدد می‌شود و هزینه‌های بازآماده‌سازی آن به چند میلیون دلار در هر پرواز کاهش می‌یابد، مرحله بالایی یک‌بارمصرف دیگر یک خطای ناچیز نیست، بلکه به بزرگ‌ترین قلم هزینه تبدیل می‌شود. برآوردهای صنعتی برای یک مرحله بالایی در کلاس فالکون ۹ (موتور، مخازن سوخت، بردهای الکترونیکی که فقط یک‌بار ساخته و یک‌بار پرواز می‌کنند) چیزی بین ۵ تا ۱۲ میلیون دلار است، در حالی که اسپیس‌ایکس توانسته هزینه بازآماده‌سازی بوستر بازاستفاده‌شده را به ۱ تا ۲ میلیون دلار در هر پرواز کاهش دهد. در یک فالکون ۹ بازاستفاده‌شده که هزینه نهایی پرتاب آن معمولاً حدود ۱۵ تا ۲۰ میلیون دلار برآورد می‌شود، مرحله بالایی می‌تواند بیش از نیمی از آنچه باقی می‌ماند را تشکیل دهد.
نیو گلن و نیوترون نیز همین حساب و کتاب را به ارث برده‌اند. هر دو حول یک بوستر قابل استفاده مجدد و یک مرحله بالایی یک‌بارمصرف طراحی شده‌اند؛ یعنی هر دو یک کف هزینه نهایی دارند که هیچ میزانی از استفاده مجدد بوستر نمی‌تواند آن را پایین‌تر از قیمت ساخت یک مرحله دوم جدید در هر پرواز بیاورد. استفاده مجدد از بوستر مسئله درستی بود که باید ابتدا حل می‌شد، چون محافظت گرمایی ساده‌تری نیاز داشت و بیشترین سود اولیه را به همراه داشت، اما هرگز نمی‌توانست پاسخ کامل مسئله دسترسی ارزان به مدار باشد.
چه کسی واقعاً در حال حل نیمه دشوار است
استارشیپ تنها وسیله‌ای است که در آزمایش‌های پروازی فعال در حال تلاش برای استفاده مجدد کامل است، از جمله یک مرحله بالایی با سرعت مداری که با شکم خود وارد اتمسفر می‌شود و از کاشی‌های سرامیکی برای محافظت گرمایی استفاده می‌کند، سپس یک مانور چرخش و گرفتن انجام می‌دهد. این دشواری در سابقه پروازهای استارشیپ کاملاً مشخص است: از دست رفتن کاشی‌ها، خطر سوختن و نگرانی‌های پایداری در پروازهای مکرر، نخ تکنیکی ثابتی در برنامه آزمایشی استارشیپ بوده‌اند، دقیقاً به این دلیل که این دشوارترین نیمه مسئله استفاده مجدد است که هیچ شرکت دیگری در این مقیاس به آن نپرداخته است.
شاید جالب‌ترین سیگنال بلندمدت، شرکت استوک اسپیس باشد؛ یک استارتاپ کوچک‌تر از ایالت واشنگتن که موشک نوای خود را از همان روز اول حول یک مرحله بالایی کاملاً قابل استفاده مجدد ساخته و به جای کاشی‌های تبخیری یا سرامیکی مشابه استارشیپ، از یک سپر گرمایی فلزی با خنک‌سازی فعال استفاده می‌کند. شرط استوک این است که یک ساختار با خنک‌سازی فعال می‌تواند ده‌ها بار ورود با سرعت مداری را با حداقل بازآماده‌سازی تحمل کند، دقیقاً همان منطقی که دهه‌ها پیش موتورهای جت را از یک‌بارمصرف به قابل تعمیر و استفاده مجدد تبدیل کرد. این شرکت کوچکی با یک وسیله مداری است که هنوز پرواز نکرده، اما تنها شرکتی است که به‌صراحت برای استفاده مجدد از مرحله بالایی طراحی می‌کند، نه اینکه آن را هدفی بلندپروازانه بداند که بعداً به یک بوستر درحال‌پرواز اضافه می‌شود.
چه چیزی را به‌جای خبرهای بوستر دنبال کنیم
فرودهای بوستر جذاب‌ترین بخش استفاده مجدد هستند و تصاویر خوبی می‌سازند، اما از زمانی که استفاده مجدد از بوستر فالکون ۹ به یک روال عادی تبدیل شد، دیگر سؤال جالب هزینه‌ای نیستند. عددی که واقعاً نشان‌دهنده میزان ارزان شدن پرتاب از این پس است، نرخ استفاده مجدد از مرحله بالایی و هزینه بازآماده‌سازی آن است؛ یعنی یک مرحله بالایی مشخص چند پرواز را تحمل می‌کند پیش از اینکه نیاز به کنار گذاشتن داشته باشد و بین هر پرواز چه مقدار کار برای آماده‌سازی دوباره آن نیاز است. برای استارشیپ، این یعنی باید میزان ماندگاری کاشی‌ها و زمان آماده‌سازی بین پروازهای پیاپی را دنبال کرد، نه فقط اینکه آیا بوستر به‌درستی گرفته می‌شود یا نه. برای بقیه صنعت، یعنی باید دید آیا شرکتی غیر از استوک اسپیس هم استفاده مجدد از مرحله بالایی را در نقشه راه خود قرار می‌دهد یا همچنان مرحله دوم یک‌بارمصرف را به‌عنوان هزینه طبیعی کسب‌وکار می‌پذیرد.
اگر در حال برآورد هزینه‌های پرتاب برای یک بار محموله، یک صورت‌فلکی ماهواره‌ای، یا هر طرحی هستید که به روند قیمت پرتاب در پنج سال آینده بستگی دارد، برآورد خود را حول اقتصاد مرحله بالایی بسازید، نه ریتم پروازهای بوستر. استفاده مجدد از بوستر مسئله‌ای حل‌شده است که بازده کاهشی دارد. استفاده مجدد از مرحله بالایی مسئله حل‌نشده‌ای است که واقعاً قیمت هر کیلوگرم رساندن بار به مدار را تغییر خواهد داد.